Masse atomique: définition, unités et comment calculer

Tout ce avec quoi vous interagissez quotidiennement est finalement composé d'atomes. Un verre d'eau de 200 ml, par exemple, contient environ 6,7 × 10²⁴ molécules, et puisque le nombre d'atomes dans chaque molécule est de trois, il y a au total environ 2 × 10²⁵ atomes dans ce seul verre. C'est 20 millions de milliards de milliards - un nombre si grand qu'on ne peut même pas vraiment l'imaginer - et c'est juste dans un assez petit verre d'eau. Comprendre ces minuscules constituants de la matière est une étape cruciale pour comprendre les propriétés macroscopiques que nous connaissons au quotidien.

Mais comment pouvez-vous même calculer quelque chose comme le nombre d'atomes dans un verre d'eau? L'astuce dans ce cas précis était d'utiliser lemasse molaired'eau, et le nombre connu d'atomes dans une mole de n'importe quelle substance. Mais la masse molaire, à son tour, dépend de launité de masse atomique, ce qui est absolument crucial à comprendre pour tout étudiant en physique ou en chimie. Heureusement, il s'agit en réalité d'une simplification de la masse réelle d'un atome de n'importe quelle substance, qui vous indique essentiellement la masse relative par rapport à un seul neutron ou proton.

Les atomes ont trois composants principaux: les protons, les neutrons et les électrons. Les protons et les neutrons existent à l'intérieur du noyau, qui est un arrangement compact de matière qui se trouve au centre de l'atome, et les électrons existent sous la forme d'un « nuage flou » autour de celui-ci. Il y a une énorme quantité d'espace entre le noyau et même l'électron le plus proche. Le noyau a une charge positive, car les protons sont chargés positivement et les neutrons sont neutres, tandis que le nuage d'électrons porte une charge négative qui équilibre celle du neutron.

Le noyau contient la majeure partie de la masse de l'atome, car les neutrons et les protons sont beaucoup, beaucoup plus lourds que les électrons. En fait, les protons ou les neutrons sont environ 1800 fois plus gros que les électrons, tellement plus gros que dans de nombreux cas, vous pouvez négliger en toute sécurité la masse d'un électron lorsque vous pensez à la masse atomique plus généralement.

Le tableau périodique répertorie tous les éléments (c'est-à-dire les types d'atomes) présents dans la nature, en commençant par le plus simple, qui est l'atome d'hydrogène. lenuméro atomiqued'un atome (étant donné le symboleZ) vous indique combien de protons l'atome de l'élément a dans son noyau, et c'est le nombre supérieur sur le bloc correspondant dans le tableau périodique. Parce que cela porte la charge positive et le nombre d'électrons (qui est une information essentielle lorsque vous êtes penser à la liaison atomique) doit être égal à celui de la neutralité électrique globale principale, ce nombre caractérise vraiment le élément.

Il peut y avoir différentsisotopesdu même élément, cependant, qui ont le même nombre de protons (et peuvent donc être raisonnablement considérés comme le même élément), mais un nombre différent de neutrons. Ceux-ci peuvent être stables ou non, ce qui est un sujet intéressant en soi, mais la chose importante à noter pour l'instant, c'est que différents isotopes ont des masses différentes mais les mêmes propriétés globales dans la plupart des autres façons.

Bien que les atomes sous leur forme ordinaire soient électriquement neutres, certains atomes ont tendance à gagner ou à perdre des électrons, ce qui peut leur donner une charge électrique nette. Les atomes qui ont subi l'un de ces processus sont appelés ions.

La masse atomique est généralement définie en termes d'unités de masse atomique (amu). La définition officielle est que 1 amu est 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12. Ici, le carbone 12 est la façon standard de dire « l'isotope du carbone avec six protons et six neutrons", vous pouvez donc finalement considérer une unité de masse atomique comme étant la masse d'un proton ou un neutron. Donc, d'une certaine manière, le nombre de masse atomique est le nombre de protons et de neutrons dans le noyau, et cela signifie que ce n'est pas la même chose que le nombre atomique,Z​.

Il est important de noter que, pour les raisons expliquées dans la dernière section, la masse des électrons dans l'atome est négligée lorsque vous parlez de masse atomique dans la plupart des situations. Une autre note intéressante est que la masse d'un atome est en fait légèrement inférieure à la masse de tous les composants combinés, en raison de «l'énergie de liaison» nécessaire pour maintenir le noyau ensemble. Cependant, il s'agit d'une autre complication que vous n'avez pas vraiment besoin de considérer dans la plupart des situations.

Le nombre inférieur sur le bloc d'un élément du tableau périodique est la masse atomique moyenne, qui est également différente de la masse exprimée en unités de masse atomique. Il s'agit essentiellement d'une moyenne pondérée des masses des différents isotopes d'un élément, ce qui explique leur abondance relative sur Terre. Donc, dans un sens, c'est la mesure "globale" la plus précise de la masse d'un élément, mais en pratique, la masse atomique d'un isotope particulier sera un nombre entier en unités de masse atomique. Sur des tableaux périodiques plus simples, ce « nombre de masse atomique » (UNE) est utilisé à la place de la masse atomique moyenne.

lemasse moléculaire(ou, pour utiliser un terme moins précis mais aussi courant, "poids moléculaire") est la masse d'une molécule d'une substance en unités de masse atomique. Le calcul est très simple: vous trouvez la formule chimique de la substance en question, puis additionnez les masses atomiques des atomes constitutifs. Par exemple, le méthane est composé d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène, et il a donc la masse de ces composants combinés. Un atome de carbone 12 a une masse atomique de 12 et chaque atome d'hydrogène a une masse atomique de 1, donc la masse moléculaire totale d'une molécule de méthane est de 16 amu.

La masse molaire d'une substance est la masse d'une mole de la substance. Ceci est basé sur le nombre d'Avogadro, qui vous indique le nombre d'atomes ou de molécules dans une mole d'une substance, et la définition d'une mole. Une mole est la quantité d'une substance qui fait que sa masse en grammes est la même que son nombre de masse atomique. Ainsi, pour le carbone 12, par exemple, une mole a une masse de 12 g.

Le nombre d'Avogadro est 6,022 × 10²³, et donc 12 g de carbone 12 contiennent autant d'atomes, et de même, 4 g d'hélium contiennent autant d'atomes. Il est important de se rappeler que si la substance en question est une molécule (c'est-à-dire quelque chose composé de plus d'un atome), le nombre d'Avogadro vous indique le nombre demoléculesplutôt que le nombre d'atomes.

Cela vous donne tout ce qu'il faut savoir pour parcourir un exemple comme celui du verre d'eau en introduction. Le verre contenait 200 ml, ce qui correspond à 200 g en termes de masse, et une molécule d'eau (formule chimique H₂O) a deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène, pour une masse moléculaire de 18 amu et une masse molaire de 18 g. Donc, pour trouver le nombre d'atomes, il suffit de diviser la masse par la masse d'une mole pour trouver le nombre de moles, puis de multiplier par le nombre d'Avogadro pour trouver le nombre de molécules. Enfin, notant que chaque molécule a trois atomes, vous multipliez par trois pour trouver le nombre d'atomes individuels.

Travailler à travers plus d'exemples peut vous aider à comprendre les concepts clés de la masse atomique. L'exemple le plus simple consiste à calculer la masse d'un élément simple comme le carbone 12. Le processus est vraiment simple si vous pensez uniquement en termes d'amu, mais vous pouvez également convertir assez facilement l'amu en kg pour obtenir une mesure plus standardisée de la masse de carbone.

Vous devriez être capable de calculer la masse d'un atome de carbone dans l'amu en vous basant sur ce que vous avez déjà appris de l'article, et en notant qu'il y a six protons et six neutrons dans chaque atome. Alors, quelle est la masse d'un atome de carbone dans amu? Bien sûr, c'est 12 amu. Vous ajoutez les six protons aux six neutrons et trouvez la réponse, puisque les deux types de particules ont une masse de 1 amu.

La conversion d'amu en kg est également assez simple à partir de ce point: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, donc

C'est unvraimentpetite masse (et c'est pourquoi la masse atomique est généralement mesurée en amu), mais il convient de noter que la masse d'un électron est d'environ 9 × 10⁻³¹, il est donc clair que même l'ajout des 12 électrons à la masse de l'atome de carbone n'aurait pas fait de différence notable.

Le poids moléculaire est un peu plus compliqué que de simplement calculer la masse d'un atome, mais tout ce que vous avez à faire est de regarder la formule chimique de la molécule et de combiner les masses des atomes individuels pour trouver le le total. Par exemple, essayez de calculer la masse de benzène, qui a la formule chimique: C₆H₆, notant qu'il s'agit d'atomes de carbone 12 et que c'est l'isotope ordinaire de l'hydrogène plutôt que le deutérium ou le tritium.

La clé est de remarquer que vous avez six atomes de carbone 12 et six d'hydrogène, donc la masse de la molécule est :

Le processus de recherche du poids moléculaire peut devenir un peu plus compliqué pour les molécules plus grosses, mais il suit toujours le même processus.

Trouver la masse atomique moyenne d'un élément implique de considérer à la fois la masse atomiqueetl'abondance relative de l'isotope spécifique sur Terre. Le carbone en est un bon exemple, car 98,9 % de tout le carbone sur Terre est du carbone-12, 1,1 % étant du carbone-13 et untrèsun petit pourcentage étant du carbone-14, qui peut être négligé en toute sécurité.

Le processus pour résoudre ce problème est en fait assez simple: multipliez la proportion de l'isotope par la masse de l'isotope dans l'amu, puis ajoutez les deux ensemble. Le carbone-12 est l'isotope le plus courant du carbone, vous vous attendez donc à ce que le résultat soit très proche de 12 amu. N'oubliez pas de convertir les pourcentages en nombres décimaux (divisez-les par 100) avant de calculer et vous obtiendrez la bonne réponse :

Ce résultat est exactement ce que vous trouverez sur un tableau périodique qui répertorie la masse atomique moyenne plutôt que la masse de l'isotope le plus courant.